Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) est en train de réviser une partie essentielle de son processus de fabrication de puces. Pour ses puces 2 nm de nouvelle génération, le géant de la fonderie adoptera des masques curvilignes, abandonnant la géométrie linéaire « Manhattan » utilisée pendant des décennies.
Ce changement permet d’imprimer des motifs plus précis sur le silicium, améliorant ainsi les performances des puces.
Ce saut est rendu possible par de nouveaux graveurs de masques multifaisceaux et des logiciels avancés comme la plate-forme CuLitho alimentée par GPU de Nvidia.
Bien que coûteux, l’investissement est alimenté par le marché en plein essor de l’IA, où les puces à marge élevée de clients comme Nvidia justifient le développement de ces nouvelles techniques de fabrication complexes.
Des grilles de Manhattan aux lignes courbes : une nouvelle géométrie pour la fabrication de puces
Pour la première fois depuis plus d’une décennie, la géométrie fondamentale de la conception des puces est redessinée.
Le nœud de processus 2 nm (N2) de TSMC sera le premier à utiliser des masques curvilignes, ce qui constitue une rupture significative avec la dépendance de l’industrie à l’égard de motifs rectilignes ou à lignes droites, souvent appelés géométrie « Manhattan ».
Masques curvilignes dans les semi-conducteurs fabrication sont des photomasques dont les motifs incluent des courbes ou des formes libres plutôt que d’être limités à des formes rectilignes (à bords droits) conventionnelles alignées uniquement verticalement ou horizontalement.
Plus précisément, les masques curvilignes peuvent contenir des bords qui ne sont ni Manhattan (angles strictement de 90 degrés ou 45 degrés) ni des lignes droites, mais peuvent à la place inclure des arcs lisses, des cercles, des ovales, des splines ou des polygones linéaires par morceaux avec des bords inclinés au-delà des normes. géométries orthogonales.
Ces masques sont conçus à l’aide de techniques avancées de correction optique de proximité (OPC) et de lithographie inverse (ILT) qui optimisent les formes des photomasques sous forme de courbes au lieu de les rapprocher de nombreux petits rectangles ou polygones de Manhattan.
L’utilisation de formes curvilignes permet une meilleure fidélité dans l’impression de détails complexes et petits sur des tranches de silicium, ce qui donne des fenêtres de processus lithographiques plus grandes, une profondeur de mise au point améliorée et une variation de processus réduite.
Ce changement accompagne le passage aux transistors Gate-All-Around (GAA), marquant l’une des transitions technologiques les plus importantes dans la fabrication de semi-conducteurs depuis près de 15 ans.
La photolithographie, le processus d’impression de conceptions de puces sur silicium. wafers, est régi par la physique de la lumière.
La lumière diffracte et se déforme naturellement, et elle ne favorise pas les angles nets de 90 degrés. Les conceptions curvilignes, qui utilisent des courbes douces, modélisent plus précisément le comportement de la lumière, ce qui entraîne un transfert plus fidèle du motif prévu sur la tranche.
Cela élargit la fenêtre globale du processus, rendant la fabrication plus résiliente aux écarts mineurs et, à terme, améliorant le rendement et les performances des puces.
Depuis des années, les ingénieurs savent que les conceptions courbes sont théoriquement supérieures. En utilisant une technique appelée Technologie de lithographie inverse (ILT), ils ont pu travailler à rebours à partir du motif souhaité sur la plaquette pour calculer la conception optimale du masque, souvent d’aspect psychédélique.
Cependant, cet idéal est resté un concept académique car les outils pour créer ces masques n’existait pas.
Les auteurs de masques traditionnels, connus sous le nom de Les systèmes à poutres de forme variable (VSB) ne peuvent produire que des rectangles et des carrés. Pour créer une courbe, ils ont dû l’approcher avec des milliers de minuscules rectangles superposés dans un processus appelé « Manhattanisation ».
Cette conversion était non seulement imprécise, créant des bords flous, mais aussi incroyablement lente.
Une machine VSB écrit chaque rectangle avec un seul « tir » de son faisceau d’électrons. Le grand nombre de prises de vue requises pour des modèles complexes et manhattanisés a créé un grave goulot d’étranglement en termes de débit, avec des temps d’écriture de masque s’étendant de quelques heures à plusieurs jours.
La technologie derrière les courbes : les graveurs multifaisceaux et la physique alimentée par GPU
Ce saut en matière de précision de fabrication repose sur une convergence d’avancées matérielles et logicielles. Le premier facteur critique est l’essor des graveurs de masques multifaisceaux, développés par des sociétés comme IMS Nanofabrication et NuFlare.
Au lieu d’un seul faisceau d’électrons, ces machines divisent le faisceau en centaines de milliers. de minuscules « faisceaux » contrôlés individuellement.
En déplaçant la scène du masque et en allumant et éteignant ces faisceaux comme des pixels sur un écran, la machine peut efficacement « peindre » des motifs complexes et incurvés avec une haute fidélité.
La commercialisation de cette technologie a été un défi d’ingénierie monumental. Les développeurs ont dû résoudre des problèmes délicats tels que l’identification et la capture des défauts dans des motifs courbes complexes et la transmission à grande vitesse d’énormes quantités de données de conception vers la machine.
Les coûts de développement étaient immenses ; KLA-Tencor, par exemple, a dépensé plus de 226 millions de dollars pour un projet multifaisceau avant de l’abandonner en 2014. Le succès a nécessité une décennie de persévérance et d’investissements importants pour surmonter ces obstacles.
La deuxième pièce du puzzle est une augmentation massive de la puissance de calcul, entraînée par le GPU. révolution.
Calculer la conception d’un masque ILT pour une puce moderne comportant des milliards de transistors est une tâche immense, nécessitant parfois jusqu’à 30 millions d’heures CPU. Un centre de données doté de dizaines de milliers de processeurs pourrait prendre plus d’une semaine pour terminer le travail.
cuLitho de Nvidia, une bibliothèque logicielle d’algorithmes parallèles, change radicalement cette équation. Selon Nvidia, 500 de ses GPU H100 peuvent désormais effectuer le travail de calcul de 40 000 processeurs pour ces tâches.
Cela accélère les flux de travail jusqu’à 60 fois, transformant un calcul de deux semaines en un processus nocturne. Conscients de ce potentiel, TSMC, Nvidia et la société de logiciels de conception Synopsys ont annoncé début 2024 qu’ils mettaient la plate-forme CuLitho en production, ouvrant la voie à l’adoption de masques courbes par le nœud N2.
Pourquoi maintenant ? Le boom de l’IA finance une révolution manufacturière
La demande insatiable et à marge élevée du marché de l’intelligence artificielle est à l’origine des investissements massifs requis pour cette transition.
Les puces conçues pour les accélérateurs d’IA, comme celles de Nvidia et d’AMD, doivent offrir les plus hauts niveaux de performances absolus. Le Dr Lisa Su, présidente et PDG d’AMD, a précédemment souligné la collaboration étroite de l’entreprise avec TSMC, qui « a permis à AMD de proposer systématiquement des produits de pointe qui repoussent les limites du calcul haute performance. »
Pour ces clients clés, les avantages du nœud 2 nm et de ses modèles curvilignes sont directs et substantiels. Pour Nvidia, cela signifie des GPU plus puissants et plus économes en énergie pour dominer le centre de données. Pour un client comme Apple, cela se traduit par une durée de vie de la batterie plus longue et un traitement plus rapide pour les futures générations de silicium pour iPhone et Mac.
Contrairement au marché mature et sensible aux prix de la téléphonie mobile, le secteur de l’IA dispose des marges financières nécessaires pour absorber les coûts élevés liés au développement de ces technologies de fabrication avancées.
Cette dynamique justifie les investissements de plusieurs milliards de dollars dans de nouveaux graveurs de masques et la recherche et développement approfondie nécessaire pour amener la lithographie curviligne à une production en grand volume.
Le se concentrer sur la technologie de nouvelle génération est au cœur de la stratégie de TSMC visant à maintenir sa position de leader.
La société a toujours nié les rumeurs de fusions opérationnelles avec Intel ou d’autres, le PDG C.C. Wei déclare fermement: « TSMC n’est engagé dans aucune discussion avec d’autres sociétés concernant une coentreprise, une licence technologique ou une technologie. »
Au lieu de cela, la fonderie avance sur plusieurs fronts, y compris le développement d’un emballage avancé au niveau du panneau pour répondre aux futures demandes d’IA.
L’adoption de masques curvilignes est plus qu’une mise à jour incrémentielle ; il s’agit d’un changement fondamental dans la fabrication, financé par le boom de l’IA, qui redéfinira les limites de la conception de puces pour la prochaine décennie.
